【文章內(nèi)容簡介】 控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、礦山、化工、石油、紡織、造紙、印染、船舶、鐵路等行業(yè)，是最有發(fā)展前途的一種調(diào)速控制方式。從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較 國際先進(jìn)水平差距 10~15年，就目前而言，盡管變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)在國內(nèi)還比較活躍，但是市場上的絕大部分產(chǎn)品還是被國外產(chǎn)品所占據(jù)，為此，我們需要密切關(guān)注國際變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的趨勢，緊跟著國內(nèi)市場的需求，加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，努力研制出自己的產(chǎn)品。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） － 6 － 本論文的研究內(nèi)容 本文在掌握交流電機(jī)變頻調(diào)速基本原理的基礎(chǔ)上，采用電機(jī)控制專用 DSP 芯片TMS320LF2407A，運(yùn)用變頻調(diào)速的 U/f 控制方式和 SPWM 控制算法，提出了基于 DSP的通用變頻器的總體設(shè)計方案，并詳細(xì)闡述了其中關(guān)鍵技術(shù)的研究和設(shè)計。 U/f 控制方式 的變頻調(diào)速系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路比較簡單，電機(jī)選擇通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)，因此其通用性比較強(qiáng)，性能 /價格比比較高。 具體研究工作包括： ? 交流電機(jī)變頻調(diào)速原理的研究； ? 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的研究和設(shè)計，包括主電路、系統(tǒng)保護(hù)電路和控制電路等； ? 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制軟件的研究和設(shè)計。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） － 7 － 2 異步電機(jī)變頻調(diào)速的基本理論 三相交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 三相交流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 三相交流電機(jī)的主要部件如圖 所示。它由定子 (包括機(jī)座 )、轉(zhuǎn)子、端蓋等組成，其中定子和轉(zhuǎn)子是能量傳遞的主要部分。現(xiàn)分別介紹如下： 圖 三相交流電機(jī)的主要部件 (1)定子 定子是電動機(jī)的不動部分、它主要由鐵心、定子繞組和機(jī)座組成。定子鐵心是電動機(jī)磁路的一部分，為了減少鐵損，定子鐵心由表面絕緣的硅鋼沖片疊壓而成。硅鋼片內(nèi)圓周表面沖有槽孔，用以嵌置定子繞組，定子繞組是定子中的電路部分，中、小型電動機(jī)一般采用漆包線繞制，其三相對稱繞組共有六個出線端，每相繞組的首端和末端分別用 D1， D2， D3和 D4， D5， D6標(biāo)記，可以根據(jù)電源電壓和電動機(jī)的額定電壓把三相繞組接成星形或三角形，參見圖 ： 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） － 8 － D 2D 1D 3D 5D 4D 6D 2D 4D 6 D 1D 3D 5 圖 三相交流異步電動機(jī)接線柱的聯(lián)接 (2)轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和風(fēng)扇等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是一個圓柱體，也由硅鋼片疊壓而成，其外圓周表面沖有槽孔，以便嵌置轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)其構(gòu)造分為兩種形式：鼠籠式和線繞式。 (a)鼠籠式 鼠籠式轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子鐵心的槽內(nèi)壓進(jìn)銅條，銅條的兩端分別焊接在兩個銅環(huán)上，因其形狀如同鼠籠，故得名。 現(xiàn)在中、小型電動機(jī)更多地采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，即把熔化的鋁澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，兩端的圓環(huán)及風(fēng)扇也一并鑄成。用鑄鋁轉(zhuǎn)子可節(jié)省銅材，簡化了制造 工藝，降低了電機(jī)的成本。 (b)線繞式 其轉(zhuǎn)子鐵心與鼠籠式相同，不同的是在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌置對稱的三相繞組。三相繞組接成星形，末端接在一起，首端分別接在轉(zhuǎn)軸上三個彼此絕緣的銅制滑環(huán)上?；h(huán)對軸也是絕緣的，滑環(huán)通過電刷將轉(zhuǎn)子繞組的三個首端引到機(jī)座上的接線盒里，以便在轉(zhuǎn)子電路中串入附加電阻，用來改善電動機(jī)的起動和調(diào)速性能。 繞線式電動機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本比鼠籠式電動機(jī)高、但它有較好的性能，一般只在有特殊需要的場合使用。 交流電動機(jī)是利用載流導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生電磁力的原理制成的。因此，我們首 先討論在交流電動機(jī)定子繞組中通以三相交流電所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場。 假設(shè)將定子繞組聯(lián)接成星形，并接在三相電源上，繞組中便通入三相對稱電流： tIi mU ?sin? () 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） － 9 － )120sin ( ??? tIi mv ? () )1 2 0sin ( ??? tIi mw ? () 其波形如圖 所示： i01 8 0 176。i u3 6 0 176。i wi vω t 圖 三相電流波形 三相電流共同產(chǎn)生的合成磁場將隨著電流的交變而在空間不斷地旋轉(zhuǎn)，即形成所謂的旋轉(zhuǎn)磁場，如圖 所示： ++V 2U 1W 2V 1U 2W 1NS+V 2U 1W 2V 1U 2W 1NS++V 2U 1W 2V 1U 2W 1NS++a ) ω t = 0 176。 b ) ω t = 6 0 176。c ) ω t = 9 0 176。 圖 三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） － 10 － 旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，便在其中感應(yīng)出電動勢和電流，如圖 所示。電動勢的方向可由 右手定則確定。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用便產(chǎn)生電磁力 F 施加于導(dǎo)體上。電磁力 F 的方向可由左手定則確定。由電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向相同，而磁場旋轉(zhuǎn)的方向與通入繞組的三相電流的相序有關(guān)。如果將聯(lián)接三相電源的三相繞組端子中的任意兩相對調(diào)，就可改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。 NSFF 圖 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n0 稱為同步轉(zhuǎn)速，其大小取決于電流頻率 f1 和磁場的極對數(shù) p 。當(dāng)定子每相繞組只有一個線圈時，繞組的始端之間相差 120176。以空間角，如圖 所示，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有一對極，即 p =1。當(dāng)電流交變一次時，磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)磁場的 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 n0=60f1。若每相繞組有兩個線圈串聯(lián)，繞組的始端相差 60度空間角，則產(chǎn)生兩對極，即 p =2。電流交變一次時，磁場在空間旋轉(zhuǎn)半周，即 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 n=60f1/p 以此類推，可得 pfn 10 60? () 式中 n0的單位為 r/min。 在我國，工頻 f1=50Hz，電動機(jī)常見極對數(shù) p ＝ 1～ 4p 。 由工作原理可知，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n 必然小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n0(即所謂“異步” )。二者相差的程度用轉(zhuǎn)差率 s 來表示： 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） － 11 － 00n nns ?? () 一般交流電動機(jī)在額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)差率約為 1%~9%。 交流電機(jī)的調(diào)速方式 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理知識，可以得到交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： )1(60)1( 10 spfsnn ???? () 由式 ()可以看出，交流電機(jī)調(diào)速方法主要有三大類：其 一是在電機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 n0 恒定時，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率 s ，稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速；其二是調(diào)節(jié)供電電源頻率 f1，稱為變頻調(diào)速；三是改變電機(jī)定子繞組的極對數(shù)，稱為變極調(diào)速。 (1)變極調(diào)速：變極調(diào)速一般是通過改變定子繞組的接線方式來改變電動機(jī)的定子繞組極對數(shù)，從而達(dá)到調(diào)速的目的。它既不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，也不是恒功率調(diào)速方式。 優(yōu)點： a) 具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好。 b) 無轉(zhuǎn)差損耗，效率高。 c) 接線簡單、控制方便，易維修、價格低。 缺點： 有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速，且由 于受到電動機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制，通常只能實現(xiàn) 3 種極對數(shù)的有級調(diào)速，調(diào)速范圍相當(dāng)有限。 本方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。 (2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：變轉(zhuǎn)差率調(diào)速實現(xiàn)方法眾多，例如調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速和滑差離合器調(diào)速等方法。 交流電動機(jī)的輸出功率 PZ 的表達(dá)式為： MM sPPsMM ????? )1(n 0 ?? () 其中 M —— 電磁轉(zhuǎn)矩 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） － 12 － ω —— 電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的速度 ω s—— 旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度 s —— 轉(zhuǎn)差率 式 ()中 sPM 稱為交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)差功率，這一部分功率主要消耗在轉(zhuǎn)子阻抗上。因此，當(dāng) s 增大時，電動機(jī)的損耗也將會增大。由此可以看出，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)差率 s 調(diào)速是一種耗能的調(diào)速方法，是低效率的調(diào)速方式。 (3)變頻調(diào)速：變頻調(diào)速是通過改變電動機(jī)定子電源的頻率，來實現(xiàn)調(diào)速的方法，即調(diào)節(jié)ω s 來調(diào)速。轉(zhuǎn)矩恒定時， s 基本不變，交流電動機(jī)的輸出功率 Pz=Mω =Mω s(1s)與輸入電磁功率 SM MP ?? 成比例變化，損耗基本沒有增加，是一種高效的調(diào)速方法。 優(yōu)點： 1) 效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗。 2) 應(yīng)用范圍廣，可用于籠型交流電動機(jī)。 3) 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。 4) 對于低負(fù)載運(yùn)行時間較多或起停運(yùn)行較頻繁的場合，可以達(dá)到節(jié)電和保護(hù)電動機(jī)的目的。 缺點：技術(shù)復(fù)雜，造價高，維護(hù)檢修困難。 從上述比較可以看出，與變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速相比，變頻調(diào)速可在寬廣的范 圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，并可獲得很好的起動和運(yùn)行特性，是一種效率比較高的調(diào)速方法。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的 U/f控制方式 電機(jī)定子繞組的反電動勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，本質(zhì)上是定子繞組的自感電動勢。其三相交流異步電動機(jī)每相電動勢的有效值是： MNKE ????? 1111 () 式中： E1—— 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值； K1—— 與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)； f1 —— 定子頻率； N1—— 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； φ M—— 每極氣隙磁通量； 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） － 13 － 由上式可見，如果定子每相電動勢的有效值 E1 不變，改變定子頻率時會出現(xiàn)下面兩種情況： 如果 f1 大于電機(jī)的額定頻率 f1N，那么氣隙磁通量中φ M 就會小于額定氣隙磁通量中φ MN。其結(jié)果是：盡管電機(jī)的鐵心沒有得到充分利用是一種浪費，但是在機(jī)械條件允許的情況下長期使用不會損壞電機(jī)。 如果 f1 小于電機(jī)的額定頻率 f1N，那么氣隙磁通量中φ M 就會大于額定氣隙磁通量中φ MN。其結(jié)果是：電機(jī)的鐵心產(chǎn)生過飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流， 嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機(jī)。 因此，要實現(xiàn)變頻調(diào)速，在不損壞電機(jī)的條件下，充分利用鐵心，發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩的能力，應(yīng)在變頻時保持每極磁通量φ MN 為額定值不變。 (1)基頻以下調(diào)速 由式 ()可知，要保持φ M 不變，當(dāng)頻率 f1 從額定值 f1N 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低 E1，使 E1/f1=常數(shù)，即采用電動勢與頻率之比恒定的控制方式。當(dāng)電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 E1≈ f1，則得 E1/f1=常數(shù)。 這是恒壓頻比的控制方式。在恒壓頻比的條件下改變頻率 f 時，我們能證明：機(jī)械特性基本上是平行下移的，如圖 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)矩 T 增大到最大值后，特性曲線就折回來了。 如果電動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速 n 下都具有額定電流，則電機(jī)都能在溫升允許條件下長期運(yùn)行，這時轉(zhuǎn)矩 T 基本上隨磁通變化，由于在基頻以下調(diào)速時磁通恒定，所以轉(zhuǎn)矩 T 也恒定。 根據(jù)電機(jī)與拖動原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。低頻時， U1和 E1 都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能再忽略。這時，可以人為地把電壓 U1抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。 f1 Nf2f3f4n1 Nn0Tf1 N f2 f3 f4 圖 基頻以下調(diào)速時的機(jī)械特性 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） － 14 － (2)基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從 f1N 往上增高，但電壓 U1 卻不能超過額定電壓U1N，最多只能保持 U1=U1N。由式 ()可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 在基頻 f1N 以上變頻調(diào)速時，由于電壓 U1=U1N 不變，我們不難證明當(dāng)頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩 T 減小，機(jī)械特性上移 ，如圖 所示。由于頻率提 f 1 Nf2f3f4n0Tf1 N f2 f3 f4恒 P 圖 基頻以上調(diào)速時的機(jī)械特性 高而電壓不變，氣隙磁動勢必然減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩 T